JP2008243577A - Catalyst for polymer solid electrolyte fuel cell, membrane-electrode assembly, and fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a catalyst for a fuel cell excelling in both catalyst activity and catalyst stability. <P>SOLUTION: The catalyst for a fuel cell is characterized by comprising metal fine particles represented by the following formula: Pt<SB>x</SB>Ru<SB>y</SB>Si<SB>z</SB>T1<SB>u</SB>, where T1 is at least one kind of element selected from a group comprising Ni, W, V and Mo; x=30-90 at.%; y=0-50 at.%; z=0.5-20 at.%; and u=1-40 at.%, or metal fine particles represented by the following formula: Pt<SB>x</SB>Ru<SB>y</SB>Si<SB>z</SB>T2<SB>u</SB>, where T2 is at least one kind of element selected from a group comprising Hf, Sn, Zr, Nb, Ti, Ta, Cr and AL; x=30-90 at.%; y=0-50 at.%; z=0.5-20 at.%; and u=1-40 at.%. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池用触媒に関し、特に高分子固体電解質型燃料電池用触媒およびこの触媒を用いた膜電極複合体および燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell catalyst, and more particularly, to a polymer solid oxide fuel cell catalyst, a membrane electrode assembly using the catalyst, and a fuel cell.

固体高分子型燃料電池、特にメタノール溶液を燃料としたメタノール型固体高分子型燃料電池は、低温で動作可能であって小型軽量化が可能なため、最近ではモバイル機器などの電源として注目され研究開発が進められている。   Solid polymer fuel cells, in particular methanol solid polymer fuel cells using methanol solution as fuel, can be operated at low temperatures and can be reduced in size and weight. Development is underway.

しかしながら、幅広い普及については従来提案されている燃料電池の性能は未だ十分なものとはいえない。燃料電池は電極触媒反応によって化学エネルギーを電力に変換するものであり、高性能燃料電池開発には高活性触媒が不可欠である。   However, with respect to widespread use, the performance of the conventionally proposed fuel cell is still not sufficient. A fuel cell converts chemical energy into electric power through an electrocatalytic reaction, and a highly active catalyst is indispensable for developing a high-performance fuel cell.

これまで、燃料電池のアノード電極用触媒としてはPtRuが一般的に使われている。電極触媒反応理論電圧の1.21Vに対し、PtRu触媒による電圧ロスは、約0.3Vであり、PtRuの触媒能を超える高活性(メタノール酸化活性)のアノード触媒が求められている。このような観点で、PtRu触媒のメタノール酸化活性を向上させるために、PtRuに他の元素を添加するなど、これまで様々な検討がなされている。   Until now, PtRu has been generally used as a catalyst for anode electrodes of fuel cells. The voltage loss due to the PtRu catalyst is about 0.3 V compared to the electrocatalytic reaction theoretical voltage of 1.21 V, and a highly active (methanol oxidation activity) anode catalyst exceeding the catalytic ability of PtRu is required. From this point of view, various studies have been made so far, such as adding other elements to PtRu in order to improve the methanol oxidation activity of the PtRu catalyst.

例えば、下記特許文献1においては、タングステン、タンタルなど10種類に及ぶ金属の添加効果について記載されており、特許文献2には、Si、Al、Tiなどの添加効果について言及されている。しかしながら、触媒反応の反応場はナノサイズの触媒粒子の表面にあり、触媒表面の数原子層は触媒活性をほぼ支配するため、同じ触媒組成であっても触媒の合成プロセスによって触媒の表面状態が変化する可能性がある。これまで触媒合成には浸漬法などの溶液法が一般的に用いられているが、還元されにくい元素、合金化しにくい元素については触媒の表面の制御をすることが困難であるという問題がある。   For example, Patent Document 1 below describes the effect of adding 10 kinds of metals such as tungsten and tantalum, and Patent Document 2 refers to the effect of adding Si, Al, Ti, and the like. However, the reaction field of the catalytic reaction is on the surface of nano-sized catalyst particles, and several atomic layers on the surface of the catalyst almost dominate the catalytic activity. It can change. So far, a solution method such as a dipping method has been generally used for catalyst synthesis, but there is a problem that it is difficult to control the surface of the catalyst for elements that are difficult to be reduced or elements that are difficult to be alloyed.

一方、スパッタ法や蒸着法による触媒合成は、上述した溶液法に比べて、材料制御の面においては有利であるが、元素の種類、触媒組成、基板材料、基板温度などの条件の変化が触媒生成プロセスにどのような影響を与えるかについては未だ十分検討されていないのが現状である。燃料電池用の触媒はナノ粒子であるため、触媒粒子の表面電子状態や粒子のナノ構造は、添加元素の種類、添加量に大きく依存し、高活性と高安定性を得るために、添加元素の種類、添加量、元素間の組み合わせを適切化する必要があると考えられる。このような観点で、特許文献3にはスパッタ法による製造プロセスが検討されており、Pt、Ru以外の元素についての知見が記載されている。さらに、特許文献4においては、触媒金属にケイ素、アルミニウムおよびチタンから選択される化合物を含む触媒について開示されている。   On the other hand, catalyst synthesis by sputtering or vapor deposition is advantageous in terms of material control compared to the solution method described above, but changes in conditions such as element type, catalyst composition, substrate material, substrate temperature, etc. At present, the influence on the generation process has not been sufficiently studied. Since the catalyst for a fuel cell is a nanoparticle, the surface electronic state of the catalyst particle and the nanostructure of the particle greatly depend on the type and amount of the additive element. In order to obtain high activity and high stability, the additive element It is thought that it is necessary to optimize the type, amount added, and combination of elements. From such a viewpoint, Patent Document 3 discusses a manufacturing process using a sputtering method, and describes knowledge about elements other than Pt and Ru. Furthermore, Patent Document 4 discloses a catalyst containing a compound selected from silicon, aluminum, and titanium as a catalyst metal.

上記いずれの従来技術においても、触媒組成が触媒活性に与える影響についての検討は未だ十分ではなく、依然として改良されたメタノール酸化活性と触媒安定性の双方にすぐれた燃料電池用触媒を提供することが要請されている。
米国特許第3,506,494号公報 特開2006−278217号公報 特表2005−532670号公報 特開2006−128118号公報
In any of the above prior arts, the influence of the catalyst composition on the catalyst activity has not yet been sufficiently examined, and it is still possible to provide a fuel cell catalyst having both improved methanol oxidation activity and excellent catalyst stability. It has been requested.
US Pat. No. 3,506,494 JP 2006-278217 A JP 2005-532670 A JP 2006-128118 A

本発明は、上述した従来技術における状況に鑑みてなされたものであって、触媒活性と触媒安定性の双方にすぐれた燃料電池用触媒を提供することを目的とするものである。   The present invention has been made in view of the above-described situation in the prior art, and an object of the present invention is to provide a fuel cell catalyst excellent in both catalytic activity and catalyst stability.

上記の目的を達成するために、本発明に係る燃料電池用触媒は、下記式:
PtRuSiT1u
(ただし、T1は、Ni、W、VおよびMoよりなる群から選ばれる少なくとも一種の元素であり、x=30〜90at.%、y=0〜50at.%、z=0.5〜20at.%、u=1〜40at.%)
で表される金属微粒子からなることを特徴とするものである。
In order to achieve the above object, a fuel cell catalyst according to the present invention has the following formula:
Pt x Ru y Si z T1 u
(However, T1 is at least one element selected from the group consisting of Ni, W, V and Mo, and x = 30 to 90 at.%, Y = 0 to 50 at.%, Z = 0.5 to 20 at.%. %, U = 1 to 40 at.%)
It consists of the metal microparticles represented by these.

本発明の好ましい態様においては、X線光電子分光法(XPS)によるスペクトルにおけるSiの酸素結合によるピークの面積がSi元素の金属結合によるピークの面積の200%以下であり、さらに好ましくは、X線光電子分光法(XPS)によるスペクトルにおける前記元素T1の酸素結合によるピークの面積が同元素の金属結合によるピークの面積の200%以下である。   In a preferred embodiment of the present invention, the area of the peak due to the oxygen bond of Si in the spectrum by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) is 200% or less of the area of the peak due to the metal bond of the Si element, more preferably X-ray The area of the peak due to the oxygen bond of the element T1 in the spectrum by photoelectron spectroscopy (XPS) is 200% or less of the peak area due to the metal bond of the element.

さらに、本発明に係る燃料電池用触媒は、下記式:
PtRuSiT2u
(ただし、T2は、Hf、Sn、Zr、Nb、Ti、Ta、CrおよびAlよりなる群から選ばれる少なくとも一種の元素であり、x=30〜90at.%、y=0〜50at.%、z=0.5〜20at.%、u=1〜40at.%)
で表される金属微粒子からなることを特徴とする。
Furthermore, the fuel cell catalyst according to the present invention has the following formula:
Pt x Ru y Si z T2 u
(However, T2 is at least one element selected from the group consisting of Hf, Sn, Zr, Nb, Ti, Ta, Cr and Al, and x = 30 to 90 at.%, Y = 0 to 50 at.%, z = 0.5-20 at.%, u = 1-40 at.%)
It consists of metal microparticles represented by these.

上記の態様において、好ましくは、X線光電子分光法(XPS)によるスペクトルにおけるSiの酸素結合によるピークの面積がSi元素の金属結合によるピークの面積の200%以下であるか、X線光電子分光法(XPS)によるスペクトルにおける前記元素T2の金属結合によるピークの面積が同元素の酸素結合によるピークの面積の200%以下である。   In the above aspect, preferably, an area of a peak due to an oxygen bond of Si in a spectrum by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) is 200% or less of an area of a peak due to a metal bond of Si element, or an X-ray photoelectron spectroscopy The area of the peak due to the metal bond of the element T2 in the spectrum by (XPS) is 200% or less of the peak area due to the oxygen bond of the element.

さらに、本発明は、担体上に、上記の触媒が担持されてなる燃料電池用担持触媒、およびこの担持触媒を具備してなる膜電極複合体、ならびにこの膜電極複合体を具備する燃料電池を包含する。   Furthermore, the present invention provides a supported catalyst for a fuel cell in which the above catalyst is supported on a carrier, a membrane electrode assembly provided with the supported catalyst, and a fuel cell provided with the membrane electrode composite. Include.

本発明によれば、触媒活性と触媒安定性の双方にすぐれた燃料電池用触媒を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the catalyst for fuel cells excellent in both catalyst activity and catalyst stability can be provided.

上述したように、第1の本発明に係る燃料電池用触媒は、下記式:
PtRuSiT1u
(ただし、T1は、Ni、W、VおよびMoよりなる群から選ばれる少なくとも一種の元素であり、x=30〜90at.%、y=0〜50at.%、z=0.5〜20at.%、u=1〜40at.%)
で表される金属微粒子からなることを特徴とするものである。
As described above, the fuel cell catalyst according to the first aspect of the present invention has the following formula:
Pt x Ru y Si z T1 u
(However, T1 is at least one element selected from the group consisting of Ni, W, V and Mo, and x = 30 to 90 at.%, Y = 0 to 50 at.%, Z = 0.5 to 20 at.%. %, U = 1 to 40 at.%)
It consists of the metal microparticles represented by these.

さらに、第2の本発明に係る燃料電池用触媒は、下記式:
PtRuSiT2u
(ただし、T2は、Hf、Sn、Zr、Nb、Ti、Ta、CrおよびAlよりなる群から選ばれる少なくとも一種の元素であり、x=30〜90at.%、y=0〜50at.%、z=0.5〜20at.%、u=1〜40at.%)
で表される金属微粒子からなることを特徴とする。
Furthermore, the fuel cell catalyst according to the second aspect of the present invention has the following formula:
Pt x Ru y Si z T2 u
(However, T2 is at least one element selected from the group consisting of Hf, Sn, Zr, Nb, Ti, Ta, Cr and Al, and x = 30 to 90 at.%, Y = 0 to 50 at.%, z = 0.5-20 at.%, u = 1-40 at.%)
It consists of metal microparticles represented by these.

すなわち、本発明は、特定の貴金属にケイ素とT元素を併用的に添加し、かつ、それぞれの含有量比を特定範囲に制限した点に特徴を有するものであり、このような組成ならびに含有量比の組み合わせによって、後述する実施例、比較例の結果に示されているように、触媒活性と触媒安定性の双方にすぐれた燃料電池用触媒を提供することができたのである。   That is, the present invention is characterized in that silicon and T element are added in combination to a specific noble metal, and each content ratio is limited to a specific range. By combining the ratios, as shown in the results of Examples and Comparative Examples described later, it was possible to provide a fuel cell catalyst excellent in both catalytic activity and catalyst stability.

以下、好ましい実施態様とともに本発明について説明する。   The present invention will be described below together with preferred embodiments.

本発明の触媒において、Ptは主要触媒元素である。Ptは水素の酸化、有機燃料の脱水素反応に極めて有効であり、Ptの量が低すぎると触媒活性が低下することから、上記の式において、Ptの量xは30〜90at.%の範囲が好ましく、さらに好ましくはxは40〜85at.%の範囲である。RuはCO被毒抑制に有効であり、Ruの量yは0〜50at.%の範囲が好ましく、さらに好ましくはyは0〜45at.%の範囲である。なお、本発明の触媒はRuの量が低い、若しくは含まれていなくとも十分な触媒活性は得られる。また、Ptの一部を他の金属に置換することによって活性が向上する場合がある。貴金属が化学安定性を特に優れているため、置換する場合は、Rh、Os、Irなどによって置換することが望ましい。   In the catalyst of the present invention, Pt is a main catalyst element. Pt is extremely effective for the oxidation of hydrogen and the dehydrogenation reaction of organic fuel, and if the amount of Pt is too low, the catalytic activity is lowered. Therefore, in the above formula, the amount x of Pt is 30 to 90 at. % Is preferable, and x is more preferably 40 to 85 at. % Range. Ru is effective in suppressing CO poisoning, and the amount y of Ru is 0 to 50 at. % Is preferable, and y is more preferably 0 to 45 at. % Range. The catalyst of the present invention can provide a sufficient catalytic activity even if the amount of Ru is low or not contained. Further, the activity may be improved by substituting a part of Pt with another metal. Since noble metals are particularly excellent in chemical stability, it is desirable to substitute them with Rh, Os, Ir or the like.

本発明において、Si、及びT1元素若しくはT2元素(以下、T1元素及びT2元素を総称してT元素とも呼ぶ)は助触媒として機能する。Tは、Ni、W、V、Hf、Sn、Zr、Nb、Mo、Ti、Ta、CrおよびAlよりなる群から選ばれる少なくとも一種の元素である。本発明においては、上述したように、Pt−Ru系成分にSiとT元素とを複合的に添加し、この組み合わせによって高活性と高安定性の双方の向上を調和的に図ることができるとの知見を得た。   In the present invention, Si and T1 element or T2 element (hereinafter, T1 element and T2 element are collectively referred to as T element) function as a promoter. T is at least one element selected from the group consisting of Ni, W, V, Hf, Sn, Zr, Nb, Mo, Ti, Ta, Cr, and Al. In the present invention, as described above, it is possible to add both Si and T elements to the Pt-Ru-based component in a composite manner, and to improve both high activity and high stability harmoniously with this combination. I got the knowledge.

高活性化が生じる機構は必ずしも明かではないが、上記特定の組成の組み合わせにおいて、Si元素、T元素と貴金属とが共存することが関与していることが重要と考えられ、これに起因した触媒微粒子のナノ構造、表面構造、電子状態が高活性をもたらしていると推測される。   Although the mechanism of high activation is not necessarily clear, it is considered important that the coexistence of Si element, T element and noble metal is involved in the combination of the above specific compositions, and the catalyst resulting from this The nanostructure, surface structure, and electronic state of the fine particles are presumed to have high activity.

このような観点から、Siについては、上記触媒におけるSiの酸素結合によるピークの面積がSi元素の金属結合によるピークの面積の200%以下であることが好ましく、特に好ましくは150%以下であり、最も好ましくは80%以下である。この場合の面積比が200%を超える場合は、触媒活性の低下が顕著であるので、好ましくはない。   From such a viewpoint, with respect to Si, the peak area due to the oxygen bond of Si in the catalyst is preferably 200% or less, particularly preferably 150% or less of the peak area due to the metal bond of the Si element. Most preferably, it is 80% or less. In this case, if the area ratio exceeds 200%, the catalytic activity is remarkably lowered, which is not preferable.

さらに、T元素についても、高活性と高安定性の双方を調和的に両立させるには適切な元素状態であることが重要である。この観点から、T1元素(Ni、W、VまたはMo元素)については、X線光電子分光法(XPS)によるスペクトルにおける同元素の酸素結合によるピークの面積が同元素の金属結合によるピークの面積の200%以下であることが望ましく、特に好ましくは120%以下であり、最も好ましくは80%以下である。さらに、T2元素(Sn、Hf、Zr、Nb、Ti、Ta、CrまたはAl元素)については、X線光電子分光法(XPS)によるスペクトルにおける金属結合によるピークの面積が同元素の酸素結合によるピークの面積の200%以下であることが特に好ましく、特に好ましくは120%以下であり、最も好ましくは80%以下である。双方の場合において面積比を200%以下とすることにより触媒活性または安定性が向上する。   Furthermore, it is important that the T element is in an appropriate element state in order to harmonize both high activity and high stability. From this point of view, for the T1 element (Ni, W, V or Mo element), the peak area due to the oxygen bond of the element in the spectrum by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) is the peak area due to the metal bond of the element. It is desirably 200% or less, particularly preferably 120% or less, and most preferably 80% or less. Furthermore, for the T2 element (Sn, Hf, Zr, Nb, Ti, Ta, Cr or Al element), the peak area due to metal bonding in the spectrum by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) is the peak due to oxygen bonding of the element. The area is particularly preferably 200% or less, particularly preferably 120% or less, and most preferably 80% or less. In both cases, the catalyst activity or stability is improved by setting the area ratio to 200% or less.

本発明においては、上述した「ピーク面積」とは、XPSスペクトルにおけるその元素によるピークから信号のバックグランドを差し引いた部分の結合エネルギー軸の積分値とする。ピークの重なりがある場合は、ピーク分離を行うことにより、その元素に所属するピークの面積を求めることが出来る。   In the present invention, the above-mentioned “peak area” is the integral value of the binding energy axis of the portion obtained by subtracting the signal background from the peak of the element in the XPS spectrum. When there is an overlap of peaks, peak areas belonging to the element can be obtained by performing peak separation.

また、本発明において、触媒中のSi量zは、0.5〜20at.%であることが好ましく、さらに好ましくは1〜15at.%の範囲である。Siの含有量が0.5at.%未満では、Siの助触媒作用が不足し、一方、20at.%を超える量でSiを含有すると、PtおよびRu原子が構成する主要活性サイトの数がいきおい減少し、このため触媒活性が低下する。   In the present invention, the Si amount z in the catalyst is 0.5 to 20 at. %, More preferably 1 to 15 at. % Range. The Si content is 0.5 at. If it is less than 5%, the co-catalyst action of Si is insufficient. When Si is contained in an amount exceeding%, the number of main active sites constituted by Pt and Ru atoms is remarkably reduced, and thus the catalytic activity is lowered.

さらに、本発明において、触媒中のT元素量uは、0.5〜40at.%の範囲が好ましく、さらに好ましくは1〜30at.%の範囲であり、最も好ましくは1〜20at.%の範囲である。T元素量uが0.5〜40at.%の範囲から外れると触媒活性と安定性との両立が困難となる。   Further, in the present invention, the amount of T element u in the catalyst is 0.5 to 40 at. % Is preferable, and more preferably 1 to 30 at. %, Most preferably 1-20 at. % Range. T element amount u is 0.5 to 40 at. If it is out of the range of%, it is difficult to achieve both catalytic activity and stability.

さらに、Snを含有する場合にあっては、Sn量は0.5〜10at.%の範囲であることが好ましく、最も好ましく1〜8at.%である。0.5at.%未満、または10at.%を超えてSnを含有するとSnの助触媒作用が低下する。   Furthermore, in the case of containing Sn, the Sn amount is 0.5 to 10 at. %, Most preferably 1-8 at. %. 0.5 at. %, Or 10 at. If Sn is contained in excess of%, Sn's promoter action is reduced.

また、本発明の触媒においては、上記の他の金属元素、特にMn、Fe、Co、Au、Cuの中から少なくとも一種の金属を追加的に添加することができる、これらの金属元素の複合的添加によって活性向上に寄与する場合がある。添加量については、2〜20at.%の範囲が好ましい。   Further, in the catalyst of the present invention, at least one kind of metal can be additionally added from the above-mentioned other metal elements, particularly Mn, Fe, Co, Au, Cu, and a composite of these metal elements. Addition may contribute to activity improvement. About addition amount, 2-20 at. % Range is preferred.

また、本発明の触媒においては、酸素の含有を許容する。合成プロセスの過程において、触媒を保存する際の触媒表面における酸素吸着、あるいは酸洗いなど表面酸化処理によって触媒表面の金属成分が不可避的に酸化されるが、本発明の知見によれば、表面に少量の酸化物の生成が生じる場合に出力ならびに安定性が向上することが認められる。よって、本発明においては、このような酸化物の存在を積極的に許容するものである。このような観点において、本発明の触媒における酸素含有量は15at.%以下であるのが望ましい。15at.%を超えると逆に触媒活性に悪影響を与える。   In the catalyst of the present invention, the oxygen content is allowed. In the course of the synthesis process, metal components on the catalyst surface are inevitably oxidized by surface oxidation treatment such as oxygen adsorption or pickling on the catalyst surface when storing the catalyst. It can be seen that power and stability are improved when small amounts of oxide are formed. Therefore, in the present invention, the existence of such an oxide is positively allowed. From such a viewpoint, the oxygen content in the catalyst of the present invention is 15 at. % Or less is desirable. 15 at. On the other hand, if it exceeds%, the catalytic activity is adversely affected.

なお、本発明の触媒においては、0.1at.%以下の不純物元素、例えば、P、S、Clなどの成分の含有を許容する。これら元素は触媒または膜電極複合体の作製、処理プロセス中に混入する可能性があるが、0.1at.%以下の含有量では本発明の触媒の特性劣化をもたらすことは少ないと考えられる。この点からも、本発明における触媒の表面構造は高い許容力を持つと考えられる。   In the catalyst of the present invention, 0.1 at. % Of impurities such as P, S, Cl and the like are allowed. These elements may be mixed during the preparation or treatment process of the catalyst or membrane electrode assembly. When the content is less than or equal to%, it is considered that the catalyst of the present invention is hardly deteriorated in characteristics. Also from this point, it is considered that the surface structure of the catalyst in the present invention has high tolerance.

本発明による触媒の粒径については特に限定されるものではないが、粒子がナノ微粒子の場合に最も高い活性が得られる。したがって、本発明による触媒粒子の平均粒径は10nm以下であることが好ましい。これは、10nm以下とすることにより、触媒の活性効率を向上させることができるからである。さらに好ましい平均粒径範囲は、0.5〜10nmである。0.5nm以上とすることにより、触媒合成プロセスの制御が容易となり、コスト的にも有利になる。   The particle size of the catalyst according to the present invention is not particularly limited, but the highest activity is obtained when the particles are nano-particles. Therefore, the average particle diameter of the catalyst particles according to the present invention is preferably 10 nm or less. This is because the activity efficiency of a catalyst can be improved by setting it as 10 nm or less. A more preferable average particle size range is 0.5 to 10 nm. By controlling the thickness to 0.5 nm or more, the control of the catalyst synthesis process is facilitated, which is advantageous in terms of cost.

触媒粒子としては、平均粒径が10nm以下の微粒子を単独で使用してもよいが、この微粒子からなる一次粒子の凝集体(二次粒子)を使用することもできる。   As the catalyst particles, fine particles having an average particle diameter of 10 nm or less may be used alone, but aggregates (secondary particles) of primary particles made of the fine particles can also be used.

本発明は、担体に上記の触媒を担持させた担持触媒の形態も包含する。この場合の担体としては、導電性担体を用いることができる。導電性担体としては、例えばカーボンブラックを挙げることができるが、これに限定されるものではなく、導電性と安定性に優れる担体であれば従来公知の担体が適宜使用することができる。近年、ナノカーボン材料、例えば、ファイバー状、チューブ状、コイル状などが開発されている。それらの表面状態が異なり、本発明で用いる触媒粒子をこれらものに担持させることによって、活性がさらに向上する可能性がある。カーボン材料以外には、導電性を持つセラミックス材料を担体として使用してもよい。この場合は、セラミックス担体と触媒粒子との更なる相乗効果が期待できる。   The present invention also includes a form of a supported catalyst in which the above catalyst is supported on a carrier. In this case, a conductive carrier can be used as the carrier. Examples of the conductive carrier include carbon black. However, the carrier is not limited to this, and a conventionally known carrier can be appropriately used as long as the carrier is excellent in conductivity and stability. In recent years, nanocarbon materials such as fibers, tubes, and coils have been developed. Their surface states are different, and the activity may be further improved by supporting the catalyst particles used in the present invention on these particles. In addition to the carbon material, a conductive ceramic material may be used as the carrier. In this case, a further synergistic effect between the ceramic support and the catalyst particles can be expected.

次に、本発明に係わる担持触媒の製造方法について説明する。本発明に係わる担持触媒は、例えば、スパッタ法、蒸着法によって作製される。これら方法は、含浸法、沈殿法、コロイド法などの溶液法に比して、金属結合を有する特定な混合状態を持つ触媒を作製しやすい。公知の溶液法では本発明の担持触媒を作製するのは困難である。金属結合を持つPt,RuとT元素との多核錯体を作製し、担持体に含浸させ、還元する方法によると、多核錯体の合成が困難であるため、本発明の担持触媒が得られない。さらに、製造コストが高くなると思われる。なお、電析法また電気泳動法によって本発明の担持触媒を作製すると、ナノ粒子への制御が困難となり、製造コスト的に不利になることが予想される。スパッ法または蒸着法を行う際は合金ターゲットでもよく、構成元素のそれぞれの金属ターゲットを用いて同時スパッタ、または同時蒸着を用いてもよい。   Next, a method for producing a supported catalyst according to the present invention will be described. The supported catalyst according to the present invention is produced, for example, by sputtering or vapor deposition. These methods make it easier to produce a catalyst having a specific mixed state having a metal bond, as compared with solution methods such as an impregnation method, a precipitation method, and a colloid method. It is difficult to produce the supported catalyst of the present invention by a known solution method. According to a method in which a polynuclear complex of Pt, Ru and T element having a metal bond is prepared, impregnated in a support, and reduced, it is difficult to synthesize the multinuclear complex, and thus the supported catalyst of the present invention cannot be obtained. In addition, the manufacturing cost is likely to be high. In addition, when the supported catalyst of the present invention is produced by an electrodeposition method or an electrophoresis method, it is expected that the control to nanoparticles becomes difficult and disadvantageous in production cost. When performing a sputtering method or a vapor deposition method, an alloy target may be used, and simultaneous sputtering or simultaneous vapor deposition may be used using each metal target of a constituent element.

スパッタ法によって触媒粒子を導電性担体に付着させる方法について説明する。まず、粒子状または繊維状の導電性担体を十分に分散させる。次に、分散した担体をスパッタ装置のチャンパーにあるホルダに挿入し、所定の方向に攪拌しながら、スパッタリングによって触媒の構成金属を担体に付着させる。スパッタリング中の担体温度は、400℃以下に設定することが望ましい。設定温度が高くなりすぎると、触媒粒子において相分離が生じて触媒活性が不安定になる場合がある。また、担体の冷却に必要なコストを低減するため、担体温度の下限値は10℃にすることが望ましい。なお、担体温度は熱電対によって測定することができる。また、均一な触媒付着を実現するには攪拌が重要である。攪拌しない場合は触媒の分布にムラがあるため、燃料電池特性が低下する。   A method for attaching catalyst particles to a conductive carrier by sputtering will be described. First, the particulate or fibrous conductive carrier is sufficiently dispersed. Next, the dispersed carrier is inserted into a holder in a champ of the sputtering apparatus, and the constituent metal of the catalyst is attached to the carrier by sputtering while stirring in a predetermined direction. The carrier temperature during sputtering is desirably set to 400 ° C. or lower. If the set temperature is too high, phase separation may occur in the catalyst particles, and the catalyst activity may become unstable. In order to reduce the cost required for cooling the carrier, the lower limit of the carrier temperature is preferably 10 ° C. The carrier temperature can be measured with a thermocouple. In addition, stirring is important for achieving uniform catalyst adhesion. When the stirring is not performed, the distribution of the catalyst is uneven, and the fuel cell characteristics are deteriorated.

なお、本発明の触媒は、導電性カーボン繊維を含む多孔質ペーパー、電極拡散層または電解質膜に直接スパッタすることによって得ることもできる。この場合は、プロセスの調整によって触媒をナノ微粒子の状態で形成させることが必要である。また、上記と同様に多孔質ペーパー温度を400℃以下にすることが望ましい。スパッタ法もしくは蒸着法によって触媒粒子を形成した後、酸洗い処理またはアルカリ処理または熱処理を施すことによって活性が更に向上する場合もある。触媒構造または表面構造が酸洗い処理またはアルカリ処理または熱処理によって更に適切化されるからであると考えられる。酸洗い処理については酸の水溶液であればよいが、硫酸水溶液を用いることが好ましい。アルカリ処理についてはアルカリの水溶液が用いられ得る。熱処理については、10〜400℃以下、酸素分圧が5%未満の雰囲気中で処理するのが望ましい。また、微粒子が形成されやすくなるため、カーボンなど他の材料と構成金属元素とを同時にスパッタまたは蒸着してもよい。なお、本発明では、溶解性の良い金属、例えば、Cu,Znなどと構成金属元素とを同時にスパッタまたは蒸着し、その後酸洗いなどによってCu,Znなどを取り除くことも可能である。   The catalyst of the present invention can also be obtained by directly sputtering a porous paper containing conductive carbon fibers, an electrode diffusion layer, or an electrolyte membrane. In this case, it is necessary to form the catalyst in the form of nanoparticles by adjusting the process. Moreover, it is desirable that the porous paper temperature be 400 ° C. or lower as in the above. In some cases, the activity may be further improved by forming the catalyst particles by sputtering or vapor deposition and then performing pickling, alkali treatment or heat treatment. This is probably because the catalyst structure or surface structure is further optimized by pickling treatment, alkali treatment or heat treatment. The pickling treatment may be an aqueous acid solution, but an aqueous sulfuric acid solution is preferably used. For the alkali treatment, an aqueous solution of an alkali can be used. About heat processing, it is desirable to process in the atmosphere below 10-400 degreeC and oxygen partial pressure less than 5%. In addition, since fine particles are easily formed, another material such as carbon and a constituent metal element may be sputtered or evaporated at the same time. In the present invention, it is also possible to simultaneously sputter or vapor-deposit a metal having good solubility, such as Cu or Zn, and a constituent metal element, and then remove Cu, Zn or the like by pickling.

さらに、本発明は、上記の担持触媒を用いて構成させる膜電極複合体を包含する。本発明の好ましい実施形態に係る膜電極複合体(MEA)は、アノード、カソード、および、前記アノードと前記カソードとの間に配置されるプロトン伝導性膜を具備する。   Furthermore, the present invention includes a membrane electrode assembly constituted by using the supported catalyst. A membrane electrode assembly (MEA) according to a preferred embodiment of the present invention includes an anode, a cathode, and a proton conductive membrane disposed between the anode and the cathode.

また、本発明の実施形態に係る燃料電池は、上記のような膜電極複合体を具備するものから構成することができる。   In addition, the fuel cell according to the embodiment of the present invention can be configured from the one having the membrane electrode assembly as described above.

図1は、本発明の一実施形態に係る燃料電池を模式的に示す側面図である。   FIG. 1 is a side view schematically showing a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

図1に示す膜電極複合体(MEA)は、アノード1と、カソード2と、プロトン伝導性膜3とを具備する。アノード1は、拡散層4と、その上に積層されたアノード触媒層5とを含む。カソード2は、拡散層6と、その上に積層されたカソード触媒層7とを含む。   The membrane electrode assembly (MEA) shown in FIG. 1 includes an anode 1, a cathode 2, and a proton conductive membrane 3. The anode 1 includes a diffusion layer 4 and an anode catalyst layer 5 laminated thereon. The cathode 2 includes a diffusion layer 6 and a cathode catalyst layer 7 laminated thereon.

アノード1とカソード2は、プロトン伝導性膜3を介して、アノード触媒層5とカソード触媒層7とが対向するように積層される。なお、図1中、参照符号8は外部回路を示す。   The anode 1 and the cathode 2 are laminated so that the anode catalyst layer 5 and the cathode catalyst layer 7 face each other with the proton conductive membrane 3 interposed therebetween. In FIG. 1, reference numeral 8 indicates an external circuit.

アノード触媒層には、前述した触媒が含有される。一方、カソード触媒層に含まれるカソード触媒には、例えば、Ptを使用することができる。カソード触媒は、担体に担持させても良いが、無担持のまま使用しても良い。拡散層には、導電性多孔質シートを使用することができる。導電性多孔質シートには、例えば、カーボンクロス、カーボンペーパーなどの通気性あるいは通液性を有する材料から形成されたシートを使用することができる。   The anode catalyst layer contains the aforementioned catalyst. On the other hand, for example, Pt can be used for the cathode catalyst included in the cathode catalyst layer. The cathode catalyst may be supported on a carrier, but may be used without being supported. A conductive porous sheet can be used for the diffusion layer. As the conductive porous sheet, for example, a sheet formed of a material having air permeability or liquid permeability such as carbon cloth or carbon paper can be used.

アノード触媒層、カソード触媒層およびプロトン伝導性膜に含まれるプロトン伝導性物質は、プロトンを伝達できる材料であれば特に制限されることなく使用することができる。プロトン伝導性物質としては、例えば、ナフィオン(デュポン社製)、フレミオン(旭化成社製)、アシブレック(旭硝子社製)などのスルホン酸基を持つフッ素樹脂や、タングステン酸やリンタングステン酸などの無機物などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。   The proton conductive material contained in the anode catalyst layer, the cathode catalyst layer, and the proton conductive membrane can be used without particular limitation as long as it is a material that can transmit protons. Examples of proton conductive substances include fluorine resins having sulfonic acid groups such as Nafion (manufactured by DuPont), Flemion (manufactured by Asahi Kasei), and Ashiburek (manufactured by Asahi Glass), and inorganic substances such as tungstic acid and phosphotungstic acid. However, it is not limited to these.

本発明の実施形態に係る燃料電池は、前述したMEAと、アノードに燃料を供給する手段と、カソードに酸化剤を供給する手段とを含む。使用するMEAの数は1つでもよいが、複数でもよい。複数使用することにより、より高い起電力を得ることができる。燃料としては、メタノール、エタノール、蟻酸、あるいはこれらから選ばれる1種類以上を含む水溶液等を使用することができる。   A fuel cell according to an embodiment of the present invention includes the above-described MEA, means for supplying fuel to the anode, and means for supplying an oxidant to the cathode. The number of MEAs to be used may be one or more. By using multiple, higher electromotive force can be obtained. As the fuel, methanol, ethanol, formic acid, or an aqueous solution containing one or more selected from these can be used.

以下、本発明の実施例ならびに比較例に基づいて本発明をさらに具体的に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically based on examples of the present invention and comparative examples.

(実施例1〜20、比較例1〜19)
まず、カーボンブラック担体(商品名VulcanXC72、キャボットコーポレーション社製、比表面積:約230m2/g)を十分に分散した。次に分散した担体をイオンビームスパッタ装置のチャンパーにあるホルダに入れ、真空度が3×10-6Torr以下になってからArガスを流した。400℃以下に保持した状態で担体を攪拌しつつ、表1に示す各種組成となるようにターゲットとして金属もしくは合金を用い、スパッタリングを行い、触媒粒子を担体に付着させた。得られたものを硫酸水溶液(硫酸10g、水200g)を用いて酸洗い処理を実施し、その後水洗いを行い、乾燥させた。
(Examples 1-20, Comparative Examples 1-19)
First, a carbon black carrier (trade name Vulcan XC72, manufactured by Cabot Corporation, specific surface area: about 230 m 2 / g) was sufficiently dispersed. Next, the dispersed carrier was placed in a holder in a champ of an ion beam sputtering apparatus, and Ar gas was flowed after the degree of vacuum became 3 × 10 −6 Torr or less. While stirring the support while maintaining the temperature at 400 ° C. or lower, sputtering was performed using a metal or an alloy as a target so as to have various compositions shown in Table 1, and catalyst particles were attached to the support. The obtained product was pickled using an aqueous sulfuric acid solution (10 g sulfuric acid, 200 g water), then washed with water and dried.

(比較例20)
前述した特許文献2に記載された実施例と同様の方法によって、同様の組成の担持触媒を作製した。先ず、Siとして100mg含有するエタノール溶液1000ml中に、カーボンブラック(商品名VulcanXC72、キャボットコーポレーション社製、比表面積:約230m2/g)を500mg添加し、十分に撹拌して均一に分散させ、その後撹拌下に55℃に加熱してエタノールを揮発させて除去した。次いで、水素ガスを50ml/分の流量で流通させながら、上記した方法で得た残留物を300℃で3時間加熱して、カーボンブラック上にバナジウムを担持させた。
(Comparative Example 20)
A supported catalyst having the same composition was produced in the same manner as in the example described in Patent Document 2 described above. First, 500 mg of carbon black (trade name Vulcan XC72, manufactured by Cabot Corporation, specific surface area: about 230 m 2 / g) is added to 1000 ml of an ethanol solution containing 100 mg of Si, and the mixture is sufficiently stirred and dispersed uniformly. The mixture was heated to 55 ° C. with stirring to volatilize and remove ethanol. Subsequently, while flowing hydrogen gas at a flow rate of 50 ml / min, the residue obtained by the above-described method was heated at 300 ° C. for 3 hours to support vanadium on the carbon black.

次いで、1,5−シクロオクタジエンジメチル白金を、白金金属量として317.7mg含有するシクロヘキサン溶液300mlと、塩化ルテニウムをルテニウム金属分として82.3mg含有するエタノール溶液40mlを混合し、この混合溶液中に、上記したSi担持カーボンを添加し、十分に撹拌して均一に分散させた後、撹拌下に55℃に加熱して溶媒を揮発させて除去した。次いで、水素ガスを50ml/分の流量で流通させながら、上記した方法で得た残留物を300℃で3時間加熱することにより、カーボンブラック上に、白金、ルテニウムおよびSi担持させ、担持触媒を得た。   Next, 300 ml of a cyclohexane solution containing 317.7 mg of 1,5-cyclooctadiene dimethylplatinum as a platinum metal amount and 40 ml of an ethanol solution containing 82.3 mg of ruthenium chloride as a ruthenium metal content were mixed. Then, the above Si-supported carbon was added and sufficiently stirred to disperse uniformly, and then heated to 55 ° C. with stirring to volatilize and remove the solvent. Next, while flowing hydrogen gas at a flow rate of 50 ml / min, the residue obtained by the above method is heated at 300 ° C. for 3 hours to support platinum, ruthenium and Si on carbon black, and the supported catalyst is Obtained.

上記各種触媒についてPHI社製Quantum−2000を用いてXPS測定を行った。中和銃(電子銃、アルゴン銃)によるチャージアップ補償と帯電補正(C1s:C−C=284.6eV)を行った。各元素の金属結合によるピークと酸素結合によるピークの同定は表2に示す。例えば、Si元素についてはSi2pスペクトルを用いて、結合エネルギーが99〜100eV範囲にあるピークを金属結合によるもの、103〜104eV範囲にあるピークは酸素結合によるもと同定した。触媒粒子中に含有されているT元素の種類が複数の場合は、最も含有量が多いT元素を主要T元素と定義し、各触媒の主要T元素(T1元素またはT2元素)の測定結果を表1に示す。   XPS measurement was performed on the various catalysts using Quantum-2000 manufactured by PHI. Charge-up compensation and charge correction (C1s: C−C = 284.6 eV) using a neutralizing gun (electron gun, argon gun) were performed. Table 2 shows the identification of peaks due to metal bonds and oxygen bonds of each element. For example, the Si 2p spectrum was used for the Si element, and a peak with a binding energy in the range of 99 to 100 eV was identified by a metal bond, and a peak in the range of 103 to 104 eV was identified based on an oxygen bond. When there are multiple types of T element contained in the catalyst particles, the T element with the largest content is defined as the main T element, and the measurement result of the main T element (T1 element or T2 element) of each catalyst Table 1 shows.

なお、主要T1元素のピーク面積比は同元素の金属結合によるピーク面積を100%とした際の酸素結合によるピーク面積と、主要T2元素のピーク面積比は同元素の酸素結合によるピーク面積を100%とした際の金属結合によるピーク面積とそれぞれ定義した。   The peak area ratio of the main T1 element is the peak area due to oxygen bonding when the peak area due to metal bonding of the same element is 100%, and the peak area ratio of the main T2 element is 100% due to oxygen bonding of the same element. % As the peak area due to metal bonding.

表1に示されるように、実施例1〜20のXPSスペクトル上の各主要T1元素の酸素結合によるピークの面積は同元素の金属結合によるピークの面積の200%以下、各主要T2元素の金属素結合によるピークの面積は同元素の酸素結合によるピークの面積の200%以下であることを確認した。溶液法によって作製した比較例20のSi元素は殆ど酸化状態であることがわかった。なお、上記測定のサンプルは酸洗いした触媒である。酸洗い前の触媒は酸洗いしたものより酸化結合のピークが高い場合があるが、それは不安定な酸化層によるものが多く、酸洗いプロセスを行わない場合は発電中にも自然に安定層に変化し、酸化結合によるピークの面積比は酸洗いした触媒と同レベルになることが確認した。   As shown in Table 1, the peak area due to oxygen bonding of each main T1 element on the XPS spectra of Examples 1 to 20 is 200% or less of the peak area due to metal bonding of the same element, and the metal of each main T2 element It was confirmed that the peak area due to elementary bonds was 200% or less of the peak area due to oxygen bonds of the same element. It was found that the Si element of Comparative Example 20 produced by the solution method was almost in an oxidized state. The sample for the above measurement is a pickled catalyst. The catalyst before pickling may have a higher peak of oxidative bond than the pickled one, but it is often due to an unstable oxide layer, and if the pickling process is not performed, it will naturally become a stable layer even during power generation. It changed, and it was confirmed that the area ratio of the peak due to the oxidative bond was the same as that of the pickled catalyst.

各担持触媒の触媒粒子の平均粒径については、任意の異なる5視野についてTEM観察を用いて行い、各視野において20粒子の直径を測定し、合計100粒子の直径を平均したものを平均粒径として下記表1に示す。   Regarding the average particle diameter of the catalyst particles of each supported catalyst, TEM observation is performed for any five different visual fields, the diameter of 20 particles is measured in each visual field, and the average of the diameters of 100 particles in total is the average particle diameter. As shown in Table 1 below.

実施例1〜20、比較例1〜20はアノード触媒として、それぞれは標準カソード電極(カーボンブラック担持のPt触媒:田中貴金属(株)製)と組んで以下のように燃料電池電極、膜電極複合体、単セルを作製し、評価を行なう。   Examples 1 to 20 and Comparative Examples 1 to 20 are anode catalysts, each of which is combined with a standard cathode electrode (carbon black-supported Pt catalyst: manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) as follows. A body and a single cell are produced and evaluated.

<アノード電極>
得られた各種触媒を3gとを秤量した。これら担持触媒と、純水8gと、20%ナフィオン溶液15gと、2−エトキシエタノール30gとを良く攪拌し、分散した後、スラリーを作製した。撥水処理したカーボンペーパー(350μm、東レ社製)に上記のスラリーをコントロールコータで塗布し、乾燥させ、貴金属触媒のローディング密度が1mg/cm2のアノード電極を作製した。
<Anode electrode>
3 g of the obtained various catalysts were weighed. These supported catalysts, 8 g of pure water, 15 g of 20% Nafion solution, and 30 g of 2-ethoxyethanol were thoroughly stirred and dispersed, and a slurry was prepared. The above slurry was applied to water-repellent carbon paper (350 μm, manufactured by Toray Industries, Inc.) with a control coater and dried to prepare an anode electrode having a noble metal catalyst loading density of 1 mg / cm 2 .

<カソード電極>
まず、田中貴金属社製Pt触媒を2gとを秤量し、純水5gと、20%ナフィオン溶液5gと、2−エトキシエタノール20gとを良く攪拌し、分散した後、スラリーを作製した。撥水処理したカーボンペーパー(350μm、東レ社製)に上記のスラリーをコントロールコータで塗布し、乾燥させ、貴金属触媒のローディング密度が2mg/cm2のカソード電極を作製した。
<Cathode electrode>
First, 2 g of Pt catalyst manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd. was weighed, 5 g of pure water, 5 g of 20% Nafion solution, and 20 g of 2-ethoxyethanol were thoroughly stirred and dispersed, and a slurry was prepared. The above slurry was applied to water-repellent carbon paper (350 μm, manufactured by Toray Industries, Inc.) with a control coater and dried to prepare a cathode electrode having a noble metal catalyst loading density of 2 mg / cm 2 .

<膜電極複合体の作製>
カソード電極、アノード電極それぞれを電極面積が10cm2になるよう、3.2×3.2cmの正方形に切り取り、カソード電極とアノード電極の間にプロトン伝導性固体高分子膜としてナフィオン117(デュポン社製)を挟んで、125℃、10分、30kg/cm2の圧力で熱圧着して、膜電極複合体を作製した。
<Production of membrane electrode composite>
The cathode electrode and the anode electrode are each cut into a square of 3.2 × 3.2 cm so that the electrode area is 10 cm 2 , and Nafion 117 (manufactured by DuPont) is used as a proton conductive solid polymer membrane between the cathode electrode and the anode electrode. ) And thermocompression bonded at a pressure of 30 kg / cm 2 at 125 ° C. for 10 minutes to prepare a membrane electrode assembly.

この膜電極複合体と流路板とを用いて燃料直接供給型高分子電解質型燃料電池の単セルを作製した。この単セルに燃料としての1Mメタノール水溶液、流量0.6ml/min.でアノード極に供給すると共に、カソード極に空気を200ml/分の流量で供給し、セルを50℃に維持した状態で100mA/cm2電流密度を放電させ、30分後のセル電圧を測定し、その結果を下記表1に示す。高安定性については上記運転条件で単セルを500時間発電させて、100mA/cm2電流密度における電圧の低下率を指標として評価した。その結果を下記表1に示す。 A single cell of a fuel direct supply type polymer electrolyte fuel cell was fabricated using the membrane electrode assembly and the flow path plate. In this single cell, a 1M aqueous methanol solution as a fuel, a flow rate of 0.6 ml / min. In addition to supplying the cathode electrode with air at a flow rate of 200 ml / min to the cathode electrode, 100 mA / cm 2 current density was discharged with the cell maintained at 50 ° C., and the cell voltage after 30 minutes was measured. The results are shown in Table 1 below. For high stability, a single cell was generated for 500 hours under the above operating conditions, and the voltage decrease rate at 100 mA / cm 2 current density was evaluated as an index. The results are shown in Table 1 below.

表1の結果によって示されるように、実施例1〜20と比較例1とそれぞれ比較すると、本発明の触媒はPtRu触媒より高い燃料電池特性と、PtRu触媒並みの安定性をもつことがわかる。また、実施例1〜20と比較例2〜14とそれぞれ比較すると、SiまたT元素の単独添加では高い燃料電池特性と高安定性の両立が得られないことがわかる。実施例1、2と比較例15〜19とそれぞれ比較することにより、Si元素の添加量は0.5〜20at.%から外す、またはNi元素の添加量は1〜40at.%の範囲から外すと、高活性と劣化率1%以下の高い安定性を両立できないことがわかる。ほかの元素系については同様な結果が得られた。実施例1と比較例20と比較すると、高活性を得るには、組成のほかプロセスによる元素の結合状態が制御する必要があることがわかる。   As shown by the results in Table 1, when Examples 1 to 20 and Comparative Example 1 are respectively compared, it can be seen that the catalyst of the present invention has higher fuel cell characteristics than the PtRu catalyst and the same stability as the PtRu catalyst. Further, when Examples 1 to 20 and Comparative Examples 2 to 14 are respectively compared, it is understood that high fuel cell characteristics and high stability cannot be achieved by adding Si or T element alone. By comparing Examples 1 and 2 with Comparative Examples 15 to 19, respectively, the amount of Si element added was 0.5 to 20 at. %, Or the addition amount of Ni element is 1 to 40 at. It can be seen that when it is out of the range of%, it is impossible to achieve both high activity and high stability with a deterioration rate of 1% or less. Similar results were obtained for other elemental systems. Comparing Example 1 and Comparative Example 20, it can be seen that in order to obtain high activity, it is necessary to control the bonding state of elements by the process in addition to the composition.

なお、本発明の触媒を用いた改質ガス型高分子電解質型燃料電池にも上記と同様な傾向を確認した。従って、本発明の触媒はCO被毒についても従来のPt―Ru触媒より有効である。   The same tendency as described above was confirmed for the reformed gas type polymer electrolyte fuel cell using the catalyst of the present invention. Therefore, the catalyst of the present invention is more effective than conventional Pt-Ru catalysts for CO poisoning.

Figure 2008243577
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Figure 2008243577
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本発明の一実施形態に係る燃料電池を模式的に示す側面図。1 is a side view schematically showing a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 アノード
2 カソード
3 プロトン伝導性膜
4 拡散層
5 アノード触媒層
6 拡散層
7 カソード触媒層
8 外部回路
1 Anode 2 Cathode 3 Proton Conductive Membrane 4 Diffusion Layer 5 Anode Catalyst Layer 6 Diffusion Layer 7 Cathode Catalyst Layer 8 External Circuit

Claims (9)

下記式:
PtRuSiT1u
(ただし、T1は、Ni、W、VおよびMoよりなる群から選ばれる少なくとも一種の元素であり、x=30〜90at.%、y=0〜50at.%、z=0.5〜20at.%、u=1〜40at.%)
で表される金属微粒子からなることを特徴とする、燃料電池用触媒。
Following formula:
Pt x Ru y Si z T1 u
(However, T1 is at least one element selected from the group consisting of Ni, W, V and Mo, and x = 30 to 90 at.%, Y = 0 to 50 at.%, Z = 0.5 to 20 at.%. %, U = 1 to 40 at.%)
The catalyst for fuel cells characterized by comprising the metal microparticles represented by these.
X線光電子分光法(XPS)によるスペクトルにおけるSiの酸素結合によるピークの面積がSi元素の金属結合によるピークの面積の200%以下である、請求項1に記載の燃料電池用触媒。   2. The fuel cell catalyst according to claim 1, wherein an area of a peak due to an oxygen bond of Si in a spectrum obtained by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) is 200% or less of an area of a peak due to a metal bond of an Si element. X線光電子分光法(XPS)によるスペクトルにおける前記元素T1の酸素結合によるピークの面積が同元素の金属結合によるピークの面積の200%以下である、請求項1に記載の燃料電池用触媒。   2. The fuel cell catalyst according to claim 1, wherein an area of a peak due to an oxygen bond of the element T <b> 1 in a spectrum by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) is 200% or less of a peak area due to a metal bond of the element. 下記式:
PtRuSiT2u
(ただし、T2は、Hf、Sn、Zr、Nb、Ti、Ta、CrおよびAlよりなる群から選ばれる少なくとも一種の元素であり、x=30〜90at.%、y=0〜50at.%、z=0.5〜20at.%、u=1〜40at.%)
で表される金属微粒子からなることを特徴とする、燃料電池用触媒。
Following formula:
Pt x Ru y Si z T2 u
(However, T2 is at least one element selected from the group consisting of Hf, Sn, Zr, Nb, Ti, Ta, Cr and Al, and x = 30 to 90 at.%, Y = 0 to 50 at.%, z = 0.5-20 at.%, u = 1-40 at.%)
The catalyst for fuel cells characterized by comprising the metal microparticles represented by these.
X線光電子分光法(XPS)によるスペクトルにおけるSiの酸素結合によるピークの面積がSi元素の金属結合によるピークの面積の200%以下である、請求項4に記載の燃料電池用触媒。 The fuel cell catalyst according to claim 4, wherein an area of a peak due to an oxygen bond of Si in an X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) spectrum is 200% or less of an area of a peak due to a metal bond of an Si element. X線光電子分光法(XPS)によるスペクトルにおける前記元素T2の金属結合によるピークの面積が同元素の酸素結合によるピークの面積の200%以下である、請求項4に記載の燃料電池用触媒。   The catalyst for a fuel cell according to claim 4, wherein an area of a peak due to a metal bond of the element T2 in a spectrum by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) is 200% or less of an area of a peak due to an oxygen bond of the element. 担体上に、請求項1〜6にいずれか1項に記載の触媒が担持されてなることを特徴とする、燃料電池用担持触媒。   A supported catalyst for a fuel cell, wherein the catalyst according to any one of claims 1 to 6 is supported on a carrier. 請求項7に記載の担持触媒を具備してなることを特徴とする、膜電極複合体。   A membrane electrode assembly comprising the supported catalyst according to claim 7. 請求項8に記載の膜電極複合体を具備することを特徴とする、燃料電池。   A fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 8.
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